異步電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)

1、1 緒論1.1前言異步電機(jī)是一種交流電機(jī)，也叫感應(yīng)電機(jī)，主要做電動(dòng)機(jī)使用。廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，例如機(jī)床，水泵，冶金，礦山設(shè)備輕工業(yè)機(jī)械設(shè)備等都用它作為原動(dòng)機(jī)，其容量從幾千瓦到幾千千瓦。異步電機(jī)主要有定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。定子相數(shù)有單相和三相兩類。三相異步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有籠型和繞線式兩種。定子由定子鐵芯，定子繞組和機(jī)座三部分構(gòu)成。定子鐵芯的作用作為電機(jī)磁路的一部分和嵌放定子繞組。鐵芯一般采用導(dǎo)磁性良好，比損耗小的0.5mm厚的低硅鋼片疊成。定子繞組是電機(jī)的電路，其作用是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，流過(guò)電流。定子繞組在槽內(nèi)部分與鐵芯間絕緣。轉(zhuǎn)子由鐵芯，轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸構(gòu)成。轉(zhuǎn)子鐵芯是電機(jī)磁路的一部分，一般由0.

2、5mm硅鋼片沖制后疊壓而成。轉(zhuǎn)軸起支撐轉(zhuǎn)子鐵芯和輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩的作用。轉(zhuǎn)子繞組有籠型和繞線式。本次設(shè)計(jì)主要用到籠型，重點(diǎn)介紹下籠型。在轉(zhuǎn)子鐵芯均勻分布的每個(gè)槽內(nèi)各放置一根導(dǎo)體，在鐵芯兩端放置兩個(gè)端環(huán)，分別把所有伸出槽外部分與端環(huán)連接起來(lái)。如果去掉鐵芯剩下的繞組就像一個(gè)松鼠籠子。異步電機(jī)之所以得到廣泛應(yīng)用，主要由于它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，制造容易，價(jià)格低廉，兼顧耐用，而且有較高的效率和相當(dāng)好的的工作特性。但是尚不能較大范圍內(nèi)平滑調(diào)速以及它必須從電網(wǎng)吸收之后的無(wú)功功率。在交流電力拖動(dòng)系統(tǒng)中, 異步電動(dòng)機(jī)既可運(yùn)行于電動(dòng)狀態(tài), 又可運(yùn)行于電磁制動(dòng)狀態(tài), 隨生產(chǎn)機(jī)械的不同要求而定。三相異步電動(dòng)機(jī)的能耗制動(dòng),

3、 是通過(guò)將運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)的異步電機(jī)的定子脫離交流電源時(shí), 立即在定子兩相繞組通入直流勵(lì)磁電流的方法, 使定子產(chǎn)生靜止磁場(chǎng)的。當(dāng)轉(zhuǎn)子由于慣性仍在旋轉(zhuǎn)時(shí), 其導(dǎo)體切割此磁場(chǎng)便感應(yīng)電流并產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反的電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)矩而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。它廣泛用于礦井提升及起重運(yùn)輸?shù)壬a(chǎn)機(jī)械上。能耗制動(dòng)是籠型電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)方法之一，本設(shè)計(jì)就能異步電動(dòng)機(jī)耗制動(dòng)做下簡(jiǎn)要的探討。2能耗制動(dòng)線路設(shè)計(jì)2.1能耗制動(dòng)原理RI-+能耗制動(dòng)就是在切斷三相電源的同時(shí)，接到直流電源上（如圖2.1所示），使直流電流通入定子繞組。理論物理告訴我們，直流電流的磁場(chǎng)是固定不動(dòng)的，而轉(zhuǎn)子由于慣性繼續(xù)在原方向轉(zhuǎn)動(dòng)， 根據(jù)右手定則和左手定則不難確定這里的轉(zhuǎn)子

4、電流與固定磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的方向。實(shí)事上，此時(shí)轉(zhuǎn)矩的方向恰好與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向相反，因而起到了制動(dòng)的作用。理論和實(shí)驗(yàn)證明，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小與直流電流的大小有關(guān)。直流電流的大小一般為電動(dòng)機(jī)額定電流的0.51 倍。這種制動(dòng)能量消耗小，制動(dòng)平穩(wěn)，但需要直流電源。在有些機(jī)床中采用這種制動(dòng)方法。由于受制動(dòng)電動(dòng)機(jī)電流的影響，直流電流的大小受到限制，別是在工作環(huán)境相對(duì)惡劣、三相電動(dòng)機(jī)功率又相對(duì)較大的情況下，實(shí)施能耗制動(dòng)有一的困難。要使用能耗制動(dòng)關(guān)鍵是要選配好直流電源且注意直流電源開(kāi)關(guān)的使用技術(shù)，切忌誤操作，切忌接線錯(cuò)誤。在直流能耗制動(dòng)中直流電動(dòng)機(jī)的電源，一般來(lái)自于交流電路，并通過(guò)整流獲得，隨著大功率整流

5、集成電路的應(yīng) 圖2.1 能耗制動(dòng)接線圖用與發(fā)展，電路電流的整流往往由二極管整流向大功率集成電路穩(wěn)壓、整流方向發(fā)展。因此，選擇好功率匹配、電流適中，滿足能耗制動(dòng)需求電路的設(shè)計(jì)，是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。當(dāng)電動(dòng)機(jī)用于起重設(shè)備，特別是機(jī)械加工車(chē)間的吊裝、移位、運(yùn)行時(shí)，應(yīng)用直流電機(jī)反轉(zhuǎn)達(dá)到制動(dòng)目的，因?yàn)槔眠@種方法，一方面穩(wěn)定性能好， 由線路均勻自動(dòng)輸出直流電壓， 控制直流反轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)，得到穩(wěn)定的純線性直流電壓，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，制動(dòng)交流電機(jī)。2.2能耗控制主體電路介紹根據(jù)能耗制動(dòng)原理以及課題給出的技術(shù)參數(shù)可以大致設(shè)計(jì)出三相籠型異步電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)的線路圖，所需要元件如表2.1。圖2.2為籠型電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)的控制總

6、體線路。下面就其主體電路部分做一下介紹。其中A,B,C是線電壓為380V的三相電源。FU1是熔斷器，用來(lái)保護(hù)電機(jī)，一旦出現(xiàn)功率長(zhǎng)時(shí)間超過(guò)規(guī)定的最大負(fù)載時(shí)FU1會(huì)熔斷切斷電源，使整個(gè)線路斷電，電機(jī)停止工作。FR1是熱繼電器，熱繼電器是防止電路過(guò)載，由于頻繁啟動(dòng)或缺相，造成電流過(guò)大 但還未到熔斷器動(dòng)作的時(shí)候，反時(shí)間限制，這時(shí)熱繼電器的金屬片由大電流積蓄熱量，拉動(dòng)拉桿保護(hù)電動(dòng)機(jī)熔斷器起短路保護(hù)。最下面接的是符合課題技術(shù)參數(shù)的籠型異步電機(jī)。至于用于提供制動(dòng)時(shí)的直流電流是由三相電源任意兩相經(jīng)過(guò)橋式整流后的到，在橋式整流電路中串接一個(gè)可變電阻，通過(guò)調(diào)節(jié)電阻調(diào)節(jié)制動(dòng)電流從而達(dá)到滿足制動(dòng)要求。KM1KM2KT

7、SB1FU1FR1FR1A B CFU1SB2KM1KTKM2KM1 M 3 R1能耗控制電路控制電路部分能耗制動(dòng)電路主體部分圖2.2 能耗制動(dòng)電路從控制線路原理分析，按下SB2 按鈕在電動(dòng)機(jī)開(kāi)始起動(dòng)的瞬間，KM1接觸器的線圈、時(shí)間繼電器KT的線圈同時(shí)通電,接觸器和時(shí)間繼電器同時(shí)動(dòng)作而吸合，吸合時(shí)間一般都為幾毫秒到幾十毫秒，但兩者的吸合時(shí)間是有差異的，為接觸器的全行程比時(shí)間繼電器大，磁系統(tǒng)動(dòng)作靈敏度比時(shí)間繼電器低，因此吸合時(shí)間比時(shí)間繼電器長(zhǎng)，尤其對(duì)于大容量的接觸器而言， 動(dòng)作吸合時(shí)間比時(shí)間繼電器可能大幾十毫秒，這就使得時(shí)間繼電器延時(shí)斷開(kāi)的動(dòng)合觸點(diǎn)在SB2按下的瞬間先于KM1的動(dòng)合觸點(diǎn)接通，使得

8、KM2的線圈瞬間也得電接通，很有可能造成KM2觸頭閉合，使直流電流通入定子繞組( 在KM1吸合后，隨著KM1輔助常閉觸點(diǎn)的斷開(kāi)，KM2線圈斷電，當(dāng)然這個(gè)過(guò)程很短暫) 。就是說(shuō)，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始起動(dòng)的瞬間也處于瞬間的制動(dòng)過(guò)程，則會(huì)增加起動(dòng)電流，縮短接觸器的使用時(shí)間。元件名稱數(shù)量二極管4個(gè) 三相異步電動(dòng)機(jī)1臺(tái)熔斷器5個(gè)交流接觸器2個(gè)時(shí)間繼電器1個(gè)熱繼電器1個(gè)按鈕2個(gè)可調(diào)電阻器1個(gè)萬(wàn)用表1塊380V三相電源 1個(gè)接線端子板1組電工工具1套導(dǎo)線若干表2.1 元件清單2.3能耗控制電路初選及改進(jìn) KM1斷電KM斷電電動(dòng)機(jī)脫離電源KM2通電制動(dòng)開(kāi)始延時(shí)KM2斷電制動(dòng)結(jié)束按下SB1初步設(shè)計(jì)的籠型電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)的控

9、制線路見(jiàn)圖2.3, 其中采用了斷電延時(shí)的時(shí)間繼電器KT 的一個(gè)延時(shí)斷開(kāi)的動(dòng)合觸點(diǎn)，在制動(dòng)時(shí), 線路的動(dòng)作次序如下:圖2.3籠型電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)的控制線路針對(duì)以上控制線路的不足,提出了一種改進(jìn)方法: 增加一對(duì)KM1 輔助常開(kāi)觸頭, 用于對(duì)KT 時(shí)間繼電器進(jìn)行單獨(dú)控制。改進(jìn)后的主電路與原電路相同, 電路如（圖2.4），在改進(jìn)后的控制電路中, 接觸器KM2 的線圈只有在制動(dòng)即按下SB1 停止按鈕,接觸器KM1 斷電后才能得電, 杜絕了按下SB2 起動(dòng)按鈕, 在起動(dòng)過(guò)程中KM2 得電的可能性。在起動(dòng)的瞬間, 按下SB2 起動(dòng)按鈕, KM1 接觸器線圈得電, KM1接觸器的主觸頭閉合, 電動(dòng)機(jī)與三相電源接

10、通開(kāi)始起動(dòng); 同時(shí)KM1 接觸器的輔助常開(kāi)觸頭接通、輔助常閉觸頭斷開(kāi), 這時(shí)時(shí)間繼電器KT 線圈才得電, KT的一個(gè)延時(shí)斷開(kāi)的動(dòng)合觸頭接通, 在起動(dòng)過(guò)程中KM2 的線圈始終不得電, 從而避免了在電動(dòng)機(jī)開(kāi)始起動(dòng)的瞬間也處于瞬間的制動(dòng)過(guò)程, 與原有制動(dòng)控制線路相比較, 減小了起動(dòng)電流, 在一定程度上延長(zhǎng)了接觸器的使用壽命, 改善了電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能( 過(guò)大的起動(dòng)電流在短時(shí)間內(nèi)會(huì)在線路上造成較大的電壓降落,使負(fù)載端的電壓降低, 影響鄰近負(fù)載的正常工作)。KM1FR1KTKM1KM1KM1KM1KM2KTSB2SB1FU2FU1KM2FR1A B CM3R1圖2.4 改進(jìn)后的總體電路圖其中，F(xiàn)1是熱繼電

11、器，次元件作用已經(jīng)在上文主電路中介紹過(guò)。FU2是熔斷器也在主電路中介紹了。SB1和SB2分別是常閉和常開(kāi)按鈕，在無(wú)人為情況下是分別保持閉合和斷開(kāi)的。KT是時(shí)間繼電器，作用是在制動(dòng)結(jié)束后斷開(kāi)經(jīng)整流的直流電源結(jié)束制動(dòng)。KM1和KM2是電磁繼電器。有線圈和觸點(diǎn)組成，觸電有常閉和常開(kāi)之分。當(dāng)線圈得電時(shí)常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，常開(kāi)觸點(diǎn)閉合。根據(jù)以上介紹可以明白控制電路的分析了。3 能耗制動(dòng)控制電路參數(shù)計(jì)算3.1耗制動(dòng)狀態(tài)機(jī)械特性 異步電動(dòng)機(jī)原來(lái)在圖3.1所示的A點(diǎn)運(yùn)行，相應(yīng)于電動(dòng)機(jī)固定負(fù)載下正常運(yùn)轉(zhuǎn)，為了迅速停車(chē)，馬上進(jìn)行能耗制動(dòng)，即電動(dòng)機(jī)脫離電網(wǎng)時(shí)，立即在定子兩相內(nèi)接入直流電源，在定子內(nèi)形成一固定磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子由于

12、慣性繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)體切割磁場(chǎng)，產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。能耗制動(dòng)時(shí)的機(jī)械特性如圖3.1所示。當(dāng)轉(zhuǎn)子內(nèi)電阻增加而直流勵(lì)磁電流不變時(shí)產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)速也增加，但最大轉(zhuǎn)矩保持不變，如圖曲線1，3所示，特性3對(duì)應(yīng)串聯(lián)電阻較大時(shí)。當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻不變而直流勵(lì)磁電流增加時(shí)，產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)速不變，但最大轉(zhuǎn)矩將增大，如圖中特性曲線1，2所示，特性2對(duì)應(yīng)直流勵(lì)磁電流較大時(shí)。圖3.1 異步電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)機(jī)械特性曲線3.2相異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的三種表達(dá)式（1）物理表達(dá)式T=CTJm式中：異步機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)： 異步機(jī)每極磁通由以上各式可以得到圖3.2（2）參數(shù)表達(dá)式有以上表達(dá)式可以畫(huà)出機(jī)械特性曲線圖3.3所示（3）實(shí)用表達(dá)式若忽略R1可

13、以得到表達(dá)式 ）KM1FR1KTKM1KM1KM1KM1KM2KTSB2SB1FU2FU1KM2FR1A B CM3R式子中各參數(shù)的含義如下Tm最大轉(zhuǎn)矩，Sm是臨界轉(zhuǎn)差率，n0是空載轉(zhuǎn)矩，nN是額定轉(zhuǎn)速，SN是額定轉(zhuǎn)差率，KT是過(guò)載倍數(shù)。圖3.2 在不同轉(zhuǎn)速 圖3.3 異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性圖3.3有關(guān)參數(shù)的計(jì)算（1）可調(diào)電阻的計(jì)算能耗制動(dòng)的強(qiáng)弱與通入直流電的大小和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)系。在同樣轉(zhuǎn)速下，直流電越大制動(dòng)作用越強(qiáng)，一般直流電為電動(dòng)機(jī)空載電流的34倍。電機(jī)的空載電流按不同磁極有所不同的，空載電流與額定電流之比有一定的關(guān)系。2極：2030%6極：3550%4極：3045%8極：3560%所以先

14、根據(jù)電機(jī)磁極數(shù)和額定電流計(jì)算出空載電流I（也可：以用卡流表測(cè)空載電流），則制動(dòng)直流電流為（3-4）I，然后用萬(wàn)用表測(cè)量電機(jī)兩相之間的電阻R（也可以計(jì)算得出），根據(jù)歐姆定律，即可計(jì)算出直流電壓：U=3IR。知道了電機(jī)兩相電阻，和直流電壓，可以根據(jù)自己的需要來(lái)選擇限流電阻R1了，即你想要直流電流為I限，則I限=U/（R+R1)，I限和U,R已知，就可以計(jì)算出I限了。已知技術(shù)參數(shù)和條件，籠型電動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)：PN=75kW，U1N=380V，nN=1460r/min，I1N=144A，U2N=399V，I2N=116A，KT=2.8。由nS=60f1 / P，nS=1500 r/min,頻率是50HZ，

15、從而可以算出P=2，確定給定電機(jī)是4極的。額定定子線電流為I1N=144A，所以取空載電流 I=I1N30%=43.2A。制動(dòng)時(shí)的直流電流為3I=129.6A。再算電機(jī)定子相電阻。由SN=(nS- nN) / nS R=0.95 U1N SN /3 I1N 所以可以算出R=0.039。再確定經(jīng)整流后的電壓。因?yàn)椴捎玫氖菢蚴秸?，任意兩相電流電壓U0=220V，整流電路輸出電壓平均值U=0.9U0=198V。制動(dòng)時(shí)的電流由上面可知為129.6A。所以選的可調(diào)電阻最小Rmin=(U /3I)-R=1.49。故可調(diào)電阻R11.49。因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)制動(dòng)直流電流為129.6A，故橋式電路中所選二極管流過(guò)

16、的電流為0.5129.6=64.8A,其所能承受的電壓為198=225.8V。二極管應(yīng)選承受的最大電流大于64.8A,最大電壓大于226V。交流繼電器和時(shí)間繼電器應(yīng)該是能承受的最大電流大于130V。結(jié)束語(yǔ)經(jīng)過(guò)一周的努力，我終于完成了電力拖動(dòng)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)異步電動(dòng)機(jī)的能耗制動(dòng)控制設(shè)計(jì)。通過(guò)這次電力拖動(dòng)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì),使我對(duì)異步電機(jī)在實(shí)踐中的應(yīng)用有了更深刻的理解。通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)，把死板的課本知識(shí)變得生動(dòng)有趣，激發(fā)了學(xué)習(xí)的積極性。 在摸索該如何設(shè)計(jì)程序使之實(shí)現(xiàn)所需功能的過(guò)程中,特別有趣,培養(yǎng)了我的設(shè)計(jì)思維,增加了實(shí)際操作能力。在讓我體會(huì)到了設(shè)計(jì)的艱辛的同時(shí),更讓我體會(huì)到成功的喜悅和快樂(lè)。 這次電力拖動(dòng)

17、基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì),雖然短暫但是讓我得到多方面的提高：1、提高了我們的邏輯思維能力，使我們?cè)诋惒诫妱?dòng)機(jī)能耗制動(dòng)控制的主電路及控制電路的分析與設(shè)計(jì)上有了很大的進(jìn)步。加深了我們對(duì)異步電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)了解。另外，我們還更加充分的認(rèn)識(shí)到，電力拖動(dòng)基礎(chǔ)這門(mén)課程在科學(xué)發(fā)展中的至關(guān)重要性。2、查閱參考書(shū)的獨(dú)立思考的能力以及培養(yǎng)非常重要，我們?cè)谠O(shè)計(jì)電路時(shí)，遇到很多不理解的東西，有的我們通過(guò)查閱參考書(shū)弄明白，有的通過(guò)網(wǎng)絡(luò)查到，但由于時(shí)間和資料有限我們更多的還是獨(dú)立思考。3、相互討論共同研究也是很重要的，在設(shè)計(jì)過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)一些問(wèn)題但是和其他的專業(yè)同學(xué)討論后，理解了基本原理后，很快的設(shè)計(jì)了電路原理圖。 經(jīng)過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我學(xué)到很多東西。社會(huì)的不斷發(fā)展，使我認(rèn)識(shí)到我現(xiàn)在所學(xué)的知識(shí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，在實(shí)際操作應(yīng)用中有些問(wèn)題還不能解決，所以我要在今后的學(xué)習(xí)中更加努力，學(xué)好自己的專業(yè)知識(shí)以充實(shí)自